1.6.3 Классическая архитектура "клиент-сервер"
Недостатки, свойственные первым вычислительным системам с централизованной архитектурой, а также одноранговым компьютерным сетям, устраняются при построении вычислительных систем по архитектуре "клиент-сервер". Эта архитектура появилась на втором этапе эволюции компьютерных технологий, наступившем в восьмидесятых годах двадцатого века. Особенности данного этапа состоят в децентрализации архитектуры автономных вычислительных систем и их объединении в глобальные компьютерные сети.
Децентрализация архитектуры первых вычислительных систем стала возможной в связи с появлением персональных компьютеров, к которым мигрировала часть функций центральных ЭВМ.
В результате появилась возможность создавать распределенные локальные и глобальные вычислительные системы, объединяющие персональные компьютеры и компьютеры, полностью предоставляющие свои ресурсы в общее пользование для других компьютеров сети.
Компьютеры, предоставляющие те или иные общие ресурсы, были названы серверами, а компьютеры, использующие общие ресурсы, — клиентами.
Соответственно архитектуру таких распределенных вычислительных систем стали называть архитектурой "клиент-сервер" (рис. 1.3). Персональные компьютеры, исполняющие роль клиентов, называют еще рабочими станциями сети.
Рис. 1.21-Типовая архитектура клиент-сервер
Конкретный сервер характеризуется видом ресурса, которым он владеет. Так, если ресурсом является только база данных, то речь идет о сервере базы данных, назначение которого — обслуживать запросы клиентов, связанные с обработкой данных; если ресурс — это файловая система, то говорят о файловом сервере или файл-сервере. В настоящее время серверы, как правило, выделяют в общее пользование комплекс ресурсов — базы данных, файловые системы, различные сервисы, предоставляемые выполняемыми на сервере программами, а также внешние устройства, например, принтеры.
Различают несколько моделей архитектуры "клиент-сервер", каждая из которых отражает соответствующее распределение компонентов программного обеспечения между компьютерами сети.
Распределяемые программные компоненты выделяют по функциональному признаку.
Функции любого программного приложения могут быть разделены на три группы:
- функции ввода и отображения данных;
- прикладные функции, характерные для предметной области приложения;
- функции накопления информации и управления данными (базами данных, файлами).
Соответственно любое программное приложение можно представить как структуру из трех компонентов:
- компонент представления, реализующий интерфейс с пользователем;
- прикладной компонент, обеспечивающий выполнение прикладных функций;
- компонент доступа к информационным ресурсам или менеджер ресурсов, выполняющий накопление информации и управление данными.
Различают следующие модели архитектуры "клиент-сервер", соответствующие нижеприведенным типам распределения перечисленных компонентов между рабочей станцией и сервером сети:
- на сервере расположены только данные (рис. 1.22);
- кроме данных на сервере расположен менеджер информационных ресурсов, например, система управления базой данных (СУБД) (рис. 1.23);
- на сервере сконцентрированы как данные и менеджер ресурсов, так и прикладной компонент (рис. 1.24);
- на одном сервере расположен прикладной компонент, а на другом — данные и менеджер ресурсов (рис. 1.25).
Рис. 1.22- Модель доступа к удаленным данным
Модель архитектуры "клиент-сервер", при которой на сервере расположены данные (рис. 1.22), не обеспечивает высокую производительность, так как вся информация обрабатывается на рабочих станциях, а файлы, содержащие эту информацию, для обработки должны быть переданы по сети с сервера. Передача же по сети больших объемов данных, возможно, избыточных, приводит к существенному снижению общей скорости информационного обмена. Это, в свою очередь, может привести к перегрузкам сети. По этим причинам модель доступа к удаленным данным может использоваться только для маленьких сетей.
При использовании модели сервера управления данными на сервере, кроме самой информации, расположен менеджер информационных ресурсов, например, система управления базой данных (СУБД) (рис. 1.23). Компонент представления и прикладной компонент совмещены и выполняются на компьютере-клиенте, который поддерживает как функции ввода и отображения данных, так и чисто прикладные функции. Доступ к информационным ресурсам обеспечивается, как правило, операторами специального языка (например, языка SQL, если речь идет о базах данных) или вызовами функций специализированных программных библиотек. Запросы к информационным ресурсам направляются по сети менеджеру ресурсов, например, серверу базы данных. Последний обрабатывает запросы и возвращает клиенту блоки данных.
Рис. 1.23- Модель сервера управления данными
Главным преимуществом модели сервера управления данными перед моделью доступа к удаленным данным является снижение объема информации, передаваемой по сети, так как выборка требуемых информационных элементов из файлов выполняется не на рабочих станциях, а на сервере. Кроме того, в настоящее время существует множество инструментальных средств, обеспечивающих быстрое создание приложений с развитым интерфейсом, работающих с SQL-ориентированными СУБД. Это обеспечивает унификацию и широкий выбор средств разработки приложений. С использованием подавляющего большинства этих средств как раз и создаются программы, в которых смешаны прикладные функции и функции представления.
Основным недостатком модели сервера управления данными является отсутствие четкого разграничения между компонентом представления и прикладным компонентом, что затрудняет дальнейшее совершенствование вычислительной системы, архитектура которой построена на основе данной модели.
Учитывая перечисленные достоинства и недостатки модели сервера управления данными, можно сделать вывод, что эту модель целесообразно использовать при построении вычислительных систем, ориентированных на обработку умеренных, не увеличивающихся со временем объемов информации. При этом сложность прикладного компонента приложения не должна быть высокой.
Модель комплексного сервера в сравнении с моделью сервера управления данными является более технологичной. Она строится в предположении, что процесс, выполняемый на компьютере-клиенте, ограничивается функциями представления, в то время, как собственно прикладные функции и функции доступа к данным выполняются сервером (рис. 1.24). Прикладные функции могут быть реализованы в отдельных программах или в хранимых процедурах, которые называют также процедурами базы данных. Эти процедуры хранятся в самой базе данных и выполняются на компьютере-сервере, где функционирует и компонент, управляющий доступом к данным, т. е. ядро СУБД.
Рис. 1.24-Модель комплексного сервера
Преимущества модели комплексного сервера перед моделью сервера управления данными очевидны, это:
высокая производительность;
совершенное централизованное администрирование,;
экономия ресурсов сети.
Учитывая указанные достоинства, можно сделать вывод, что модель комплексного сервера является оптимальной для крупных сетей, ориентированных на обработку больших и увеличивающихся со временем объемов информации.
При существенном усложнении и увеличении ресурсоемкости прикладного компонента для него может быть выделен отдельный сервер, называемый сервером приложений. В этом случае говорят о трехзвенной архитектуре 'клиент-сервер" (рис. 1.25), предполагающей наличие трех звеньев: первое звено — компьютер-клиент, второе — сервер приложений, а третье — сервер управления данными. Архитектуру "клиент-сервер", при которой прикладной компонент расположен на рабочей станции вместе с компонентом представления (см. рис. 1.22 и 1.23) или на сервере вместе с менеджером ресурсов и данными (рис. 1.24), называют двухзвенной архитектурой.
В рамках сервера приложений могут быть реализованы несколько прикладных функций, каждая из которых оформляется как отдельная служба, предоставляющая некоторые услуги всем программам, которые желают и могут ими воспользоваться. Серверов приложения может быть несколько, каждый из которых ориентирован на представление некоторого набора услуг. Любая программа, которая пользуется ими, рассматривается как клиент приложения. Детали реализации прикладных функций в сервере приложения полностью скрыты от клиента приложения. Запросы, поступающие от клиентов приложения, выстраиваются в очередь к процессу-серверу приложения, который извлекает, а затем передает их для обработки службе в соответствии с приоритетами.
Рис. 1.25-Трехзвенная архитектура "клиент-сервер"
Клиент приложения трактуется более широко, чем компонент представления. Он может поддерживать интерфейс с конечным пользователем (тогда он является компонентом представления), может обеспечивать поступление данных от некоторых устройств (например, датчиков), может, наконец, сам по себе быть сервером приложения. Последнее позволяет реализовать прикладную систему, содержащую серверы приложений нескольких уровней. Архитектура такой системы может выглядеть как ядро, окруженное концентрическими кольцами. Ядро состоит из серверов приложения, в которых реализованы базовые прикладные функции. Кольца символизируют наборы серверов приложения, являющихся клиентами по отношению к серверам внутреннего уровня. Число уровней серверов приложений не ограничено.
Четкое разграничение в архитектуре "клиент-сервер" компонентов прораммных приложений и рациональное распределение этих компонентов между компьютерами сети позволяют достигнуть такого уровня гибкости, который недостижим в одноранговой архитектуре. Благодаря этому обеспечивается высокая эффективность использования компьютерных ресурсов, реализуются возможности расширения и дальнейшего совершенствования вычислительной системы.
Сетевую архитектуру "клиент-сервер", появившуюся на втором этапе эволюции компьютерных технологий, называют классической архитектурой "клиент-сервер". Ей присущи следующие особенности:
- на сервере порождается не конечная информация, а данные, подлежащие интерпретации компьютерами - клиентами;
- фрагменты прикладной системы распределены между компьютерами сети;
- для обмена данными между клиентами и сервером могут использоваться закрытые протоколы, несовместимые с открытым стандартом TCP/IP, применяемом в сети Internet;
- каждый из компьютеров сети ориентирован на выполнение только своих локальных программ.
Последняя особенность способствует повышению информационно-компьютерной безопасности. В случае выполнения на каждом компьютере только своих локальных программ исключается миграция программ по сети при обработке серверами запросов со стороны клиентов. Соответственно снижается вероятность запуска на выполнение вредоносных программ и заражения компьютерными вирусами.
С точки зрения безопасности обработки и хранения данных архитектура "клиент-сервер" обладает и рядом недостатков:
- территориальная распределенность компонентов программных приложений и неоднородность элементов вычислительной системы приводят к сущест-венному усложнению построения и администрирования системы информа-ционно-компьютерной безопасности;
- часть защищаемых информационных ресурсов может располагаться на персональных компьютерах, которые характеризуются повышенной уязвимостью;
- использование для обмена данными между компьютерами сети закрытых протоколов требует разработки уникальных средств защиты, а соответственно — повышенных затрат;
- при потере параметров настройки программного обеспечения какого-либо компьютера-клиента необходимо выполнение сложных процедур связывания и согласования этого компьютера с остальной частью вычислительной системы, что приводит к увеличению времени восстановления работоспо-собности компьютерной сети при возникновении отказов.